СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ГАЗООБРАЗНОГО ТРИТИЯ И ЕГО КОНЦЕНТРАЦИИ В ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ ВОДЫ Российский патент 2017 года по МПК G21F9/02 C01B4/00 B01D59/00 

Область применения

Настоящее изобретение раскрывает способ и устройство для очистки воздуха от газообразного трития (Т₂) и его концентрации в форме сверхтяжелой воды (оксид трития, Т₂О) либо тритиевой воды (HTO) в объеме простой воды. Способ и устройство находят свое применение в сфере очистки воздуха в хранилищах, где тритий находится в газообразном состоянии (Т₂) из отработанного ядерного топлива, а также процессах, оборудовании и помещениях для производства и хранения трития (Т₂) для нужд термоядерных реакций. Радиоактивность всегда присутствует в воздухе вокруг оборудования и помещений, где хранится тритий, по причине его сверхвысокой мобильности в газообразной форме.

Предпосылки к созданию технологии

В настоящее время проблема миграции газообразного трития из различных типов оборудования, где он хранится для всевозможных целей, решена посредством окисления при высокой температуре либо в присутствии катализатора. Полученная тритиевая вода отделяется от газообразной части с помощью молекулярных мембран, сорбентов и иных материалов с отличными гигроскопическими свойствами и далее может храниться в такой форме.

Проблема современных методов для очистки газов от трития заключается в том, что полученные вторичные радиоактивные продукты обладают низкой активностью трития, что ведет к накоплению большого количества отходов, которые необходимо утилизировать.

Существуют методы для концентрации трития в обычной воде с помощью электролиза, ректификации, гидролиза, процессов мембранной диффузии и термической сорбции. Такие методы требуют высокого потребления энергии и имеют относительно низкий коэффициент обогащения, что делает их экономически неэффективными для восстановления и обогащения трития из объемов загрязненных им газов.

Техническое описание

Проблема решается за счет самого воздуха, содержащего Т_2, который восстанавливается из пространства либо оборудования для синтеза, обработки или хранения трития. Тритий подвергается окислению внутри герметично закрытой камеры при высокой температуре в водородно-кислородном пламени, газовая смесь для которого поступает из соответствующего генератора. После обработки полученная смесь воздуха и водяных паров от тритиевой и сверхтяжелой воды выводится из камеры с помощью насоса и охлаждается, проходя через холодильник, а конденсированная вода задерживается в водяном фильтре. Воздух, очищенный от трития, возвращается в пространство/оборудование для хранения трития. Тритиевая вода, удержанная в водяном фильтре, подается частями в генератор, где она преобразуется в водородно-кислородную смесь. Полученный газ используется для окисления трития из следующей порции воздуха. Такой цикл может повторяться бесконечное количество раз, во время которых концентрация трития в воде водяного фильтра увеличивается пропорционально числу циклов.

Первоначально простая вода используется для экстракции трития из воздуха. Содержание водорода (Н₂) в водородно-кислородной смеси, полученной из такой воды, значительно больше, чем трития (Т₂), который должен подвергаться окислению. Пропорция между количеством атомов водорода (h) и атомов трития (t) находится в значительной степени в пользу h (h>>t). Во время процесса окисления водорода и трития получается смесь простой и тритиевой воды. Такая тритиевая вода может существовать в двух формах: - НТО и Т₂О. В связи со значительным превышением количества h над t (h>>t) возможность получения Т₂О незначительна. Материальный баланс процесса окисления с шагом каждого цикла описан следующей формулой:

2hH₂ + 2ntT₂ + (h+nt)O₂ 2(h-nt)H₂O + 4ntHTO (1),

где n - количество циклов;

h - количество атомов водорода (Н) в устройстве;

t - количество атомов трития (Т), входящих в устройство с каждым циклом окисления.

Тритиевая вода распадается в водородно-кислородном генераторе на смесь, содержащую молекулы кислорода O₂ и молекулы трех изотопов водорода (H_2, HT, T₂). Следующий объем газа, содержащий тритий, обрабатывается в пламени водородно-кислородной смеси, полученной на предыдущем этапе. Таким образом, концентрация трития в объеме простой воды постоянно увеличивается, и на n-цикле она в n раз выше, чем в первом цикле.

Получение водородно-кислородной смеси из обычной тритиевой и сверхтяжелой воды, вывод воздуха, содержащего тритий, окисление трития и возврат воздуха в оборудование/пространство для хранения трития осуществляется с применением устройства, принципиальная схема которого представлена на фиг. 1.

1. Герметично закрытая камера для окисления трития (Т₂) с помощью водородно-кислородной смеси (ННО)

2. Генератор вакуума

3. Клапан

4. Средства хранения трития (Т₂)

5. Электромагнитный клапан

6. Выпускной клапан газов

7. Фильтр

8. Водородно-кислородный генератор (ННО)

9. Клапан

10. Обратный клапан

11. Клапан

12. Фильтр

13. Циркуляционный вакуумный насос

14. Водяной фильтр

15. Дозирующий насос

16. Клапан

17. Холодильник

ПРИМЕР

Описанные преимущества предложенного метода и устройства могут быть проиллюстрированы с помощью следующего примера:

Тритиевый объект, содержащий 0,01 г трития с активностью 3,57.10¹², распадающийся со скоростью в секунду (3,57.10¹⁰ Бк), содержится в металлическом контейнере. Воздух из контейнера с тритиевым объектом с концентрацией трития 1.10⁴ Бк/м³ (3,57.10^-10 г трития в 1 м³) постоянно откачивается вакуумным насосом с производительностью 1 м³/ч и подается в камеру (1) с габаритами d=300 мм и a L=250 мм для сгорания в водородно-кислородном пламени. В камере воздух обрабатывается потоком пламени водородно-кислородной смеси из генератора (8) со скоростью подачи 100 л/ч при температуре 1000-1300^оС. Полученные водяные пары охлаждаются и разделяются в водяном фильтре (12) с 500 г воды. Воздух, очищенный от водяных паров, возвращается в контейнер. После такого метода очистки 200 м³ воздуха, вода из водяного фильтра подвергается деионизации и перемещается в водородно-кислородный генератор. В генераторе она трансформируется в газообразную водородно-кислородную смесь с кислородом и водородом в стехиометрической пропорции. С помощью насоса и дозирующей системы водородно-кислородная смесь подается в камеру для обработки поступающего на очистку газа. Цикл разложения тритиевой воды до водородно-кислородной смеси, экстракция трития из газообразных смесей, отделение тритиевой воды от газа и повторное получение водородно-кислородной смеси повторяется 200 циклов. Таким образом, концентрация трития в воде водяного фильтра увеличивается с коэффициентом 200 по сравнению с первым циклом, если изначальная концентрация трития в воздухе поддерживается постоянной и достигает 4.10⁶ Wq/кг Н₂О (1,43.10^-8 грамм Т/1 кг Н₂О).

Источники информации

1. Мюнг В. Ли. Термоциклический процесс адсорбции. Новый метод разделения изотопов водорода, WSRC-MS-2000-00061.

2. 2009. Оценка технологий удаления трития и недопущения негативных последствий на окружающую среду при очистке сточных вод.

3. А.И. Егоров, В.М. Тюнис. ДЕАКТИВАЦИЯ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ ТРИТИЙ МЕТОДОМ РЕКТИФИКАЦИИ.

4. МАГАТЭ, СЕРИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ДОКЛАДОВ № 42, УПРАВЛЕНИЕ ОТХОДАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ ТРИТИЙ И УГЛЕРОД-14, ВЕНА, 2004.

5. А.Н. ПЕРЕВЕЗЕНЦЕВ. МОКРЫЙ ЗОЛОУЛОВИТЕЛЬ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ТРИТИЯ, ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ И ТЕХНОЛОГИИ, ТОМ. 56, НОЯБРЬ 2009.

6. Патент 5591319. Электролитический метод предварительного обогащения и устройство для комбинированного электролиза и процесса каталитического обмена, 1997.

7. Патент 4190515. Устройство удаления и восстановления трития из легкой и тяжелой воды, 1980.

8. DOE-HDBK-1129-99, КОМПАНИЯ DOE. РУКОВОДСТВО ПО ОБРАЩЕНИЮ И БЕЗОПАСНОМУ ХРАНЕНИЮ ТРИТИЯ, 1999.

Изобретение относится к способу и устройству для очистки воздуха от трития и его концентрации в форме сверхтяжелой воды. Способ очистки воздуха от газообразного трития заключается в окислении трития воздуха в водородно-кислородном пламени. Устройство для очистки воздуха и концентрации трития в воде содержит герметично закрытую камеру для окисления трития при высокой температуре в водородно-кислородном пламени, газовая смесь для которого поступает из водородно-кислородного генератора, насос для вывода полученной смеси воздуха и водяных паров, холодильник для ее охлаждения, водяной фильтр для удержания конденсированной воды, оборудование для хранения трития. Изобретение обеспечивает эффективную очистку газов от трития, а также восстановление и обогащение трития. 3 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ очистки воздуха от газообразного трития путем восстановления трития из воздуха, характеризующийся окислением трития воздуха в водородно-кислородном пламени.

2. Способ концентрации трития, характеризующийся циклическим производством водородно-кислородной смеси из воды, в которой тритий концентрируется, а также последующее применение такой смеси для сжигания трития, при этом тритиевая вода проходит следующие этапы: вода - водородно-кислородная смесь - сжигание трития в системе воздух - вода, в которой тритий переходит из газообразной формы в воду и постепенно накапливается.

3. Устройство для очистки воздуха и концентрации трития в воде, содержащее герметично закрытую камеру для окисления трития при высокой температуре в водородно-кислородном пламени, газовая смесь для которого поступает из водородно-кислородного генератора, насос для вывода полученной смеси воздуха и водяных паров, холодильник для ее охлаждения, водяной фильтр для удержания конденсированной воды, оборудование для хранения трития.